梯度改性劑摻量下SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)流變力學(xué)的變化研究

支鵬飛，張新雨，馮小偉

(1.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室 蘭州市 730050；2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司 蘭州市 730050)

梯度改性劑摻量下SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)流變力學(xué)的變化研究

支鵬飛1,2，張新雨1，馮小偉2

(1.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室 蘭州市 730050；2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司 蘭州市 730050)

由于SBS改性劑摻量不同，膠結(jié)料表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性，為了準(zhǔn)確描述這些膠結(jié)料的動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)置基質(zhì)瀝青、2%～8%梯度SBS改性劑摻量的不同樣品，分別在46～82℃梯度溫度下通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)來(lái)進(jìn)行其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的分析。結(jié)果表明：隨著改性劑含量的增加，瀝青膠結(jié)料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)G*/sinδ增大，當(dāng)SBS改性劑摻加到5%時(shí)，膠結(jié)料的動(dòng)力學(xué)性能有一個(gè)很大的提升；同一樣品隨著溫度梯度增加，動(dòng)力學(xué)參數(shù)G*和G*/sinδ隨溫度增加以對(duì)數(shù)函數(shù)形式減小，δ隨溫度增加以線(xiàn)性函數(shù)的形式增加；得到的G*/sinδ擬合方程和改性效果系數(shù)a、b能夠有效預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中溫度對(duì)性能的影響作用。

SBS改性劑；失效溫度；動(dòng)態(tài)力學(xué)；改性效果系數(shù)

道路石油瀝青是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、由多種碳?xì)浠衔锛坝袡C(jī)衍生物構(gòu)成的無(wú)定形混合物，是一種常見(jiàn)的典型粘、彈、塑性材料，隨著溫度或荷載的變化其相位不需要發(fā)生化學(xué)變化就能實(shí)現(xiàn)由粘性形態(tài)向彈性形態(tài)的轉(zhuǎn)變。SBS改性劑(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物)是一種具有相態(tài)分離結(jié)構(gòu)的感溫性高分子材料，具有±80℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)應(yīng)用溫度介于-80℃～80℃之間時(shí)，SBS改性劑表現(xiàn)為熱塑性橡膠的特性，具有較好的力學(xué)性能，而當(dāng)溫度靠近80℃的玻璃化溫度時(shí)，改性材料開(kāi)始軟化。將SBS改性材料通過(guò)一定的工藝摻入到瀝青中，能顯著改變?yōu)r青的高低溫性能。且隨著SBS改性劑的加入，瀝青的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也發(fā)生了非常大的變化，溫度較低時(shí)，SBS改性瀝青的流動(dòng)性降低，粘度增大，在極低氣溫下會(huì)顯示出較強(qiáng)的彈性性質(zhì)和明顯的脆性；溫度較高時(shí)，SBS改性瀝青的粘度降低，彈性也降低，表現(xiàn)出明顯的塑性流動(dòng)，這也是導(dǎo)致瀝青路面在高溫下車(chē)轍形成的主要原因之一；常溫條件下，SBS改性瀝青是一種較典型的粘彈性結(jié)合體，其動(dòng)態(tài)流變力學(xué)隨著儀器加載時(shí)間和溫度的變化而變化。美國(guó)SHRP計(jì)劃開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)綜合考慮了加載情況和溫度對(duì)膠結(jié)料性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)確定SBS改性瀝青的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并計(jì)算G*/sinδ來(lái)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青膠結(jié)料的高溫性能。

由于SBS改性劑摻量不同膠結(jié)料表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性，為了準(zhǔn)確描述這些膠結(jié)料的動(dòng)力學(xué)特性，文章采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)來(lái)進(jìn)行不同SBS改性劑摻量的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析，探討SBS改性劑摻量對(duì)膠結(jié)料性能的影響規(guī)律。在SBS改性瀝青廣泛研究及應(yīng)用于工程建設(shè)中的大背景下，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變力學(xué)進(jìn)一步定量研究其高溫穩(wěn)定性能，對(duì)SBS改性瀝青更好地應(yīng)用于道路建設(shè)具有重要的意義。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)理論介紹

參考普通瀝青膠結(jié)料的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，論文在10rad/s的角速度下測(cè)定SBS改性瀝青的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并通過(guò)計(jì)算車(chē)轍因子G*/sinδ來(lái)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青膠結(jié)料的高溫性能。同一溫度下，車(chē)轍因子越大，瀝青抵抗變形的能力也越大，高溫穩(wěn)定性能也就越好。相位角δ是作用在膠結(jié)料上的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的應(yīng)變間的時(shí)間滯后，是不可恢復(fù)的變形量與可恢復(fù)的變形量的相對(duì)指標(biāo)。對(duì)于純彈性體，在外荷載的作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，此時(shí)相位角δ為0°；而對(duì)于完全粘性體，相位角δ則為90°。對(duì)于SBS改性瀝青膠結(jié)料，則處于粘性和彈性之間，為粘彈性綜合體，相位角在0°～90°之間。復(fù)數(shù)剪切模量G*是SBS改性瀝青在重復(fù)剪切變形作用下產(chǎn)生的阻力的度量，以全剪應(yīng)力(τmax-τmin)與全剪應(yīng)變(γmax-γmin)的比值來(lái)表示，G*值包含了彈性和粘性?xún)刹糠帧?/p>

1.2 原材料

試驗(yàn)所用的基質(zhì)瀝青為韓國(guó)SK-90#瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。SBS改性劑選擇中由于星型結(jié)構(gòu)加工操作較為復(fù)雜，應(yīng)用中存在一定的困難，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用，而線(xiàn)性結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單容易，因此論文選用線(xiàn)性SBS改性劑，具體為岳陽(yáng)石化的1301-1線(xiàn)型改性劑，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

表2 SBS技術(shù)性能指標(biāo)

1.3 樣品制作工藝及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用FM-30型高剪切乳化分散機(jī)進(jìn)行SBS改性瀝青的制備，制備時(shí)將SK-90#基質(zhì)瀝青加熱到140～150℃后摻入SBS改性劑，在1000～3000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌15min，然后加熱膠結(jié)料，在175～185℃、6000～8000r/min的條件下發(fā)育30～45min，再加入穩(wěn)定劑，在1000～3000r/min的條件下攪拌15min，最后將樣品置于170℃的烘箱中溶脹60min。SBS改性劑摻量分別按外摻2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%進(jìn)行，穩(wěn)定劑摻量1.5‰。動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)分別在46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃的溫度梯度下進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置，分別進(jìn)行基質(zhì)瀝青、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%改性劑摻量樣品在46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)G*、δ、G*/sinδ，見(jiàn)表3。

表3 不同改性劑摻量下的膠結(jié)料動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)

從表3可以看出，對(duì)于同一種SBS改性劑摻量的樣品，隨著溫度從46℃向82℃梯度增加，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)G*和G*/sinδ隨溫度增加按對(duì)數(shù)函數(shù)的形式減小，δ隨溫度的增加按線(xiàn)性函數(shù)的形式增加，說(shuō)明其粘性減弱，彈性增強(qiáng)。圖1為各樣品在梯度溫度增加下的G*/sinδ變化規(guī)律，可以看出各摻量下SBS改性瀝青的G*/sinδ存在一定規(guī)律的差異，基質(zhì)瀝青的G*/sinδ在最下面，8%SBS改性劑摻量的在最上面，2%～7%SBS改性劑摻量的依次由低到高，G*/sinδ越大，說(shuō)明膠結(jié)料越硬，黏度越大。從圖中還可以看出5%SBS改性劑摻量的G*/sinδ較之前的樣品有很大的提高(約是3%摻量的1.2倍)，說(shuō)明當(dāng)SBS改性劑摻加到5%時(shí)，膠結(jié)料的性能有一個(gè)很大的突破。圖2為各樣品在動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的高溫失效溫度(對(duì)原樣瀝青G*/sinδ≥1.0，老化樣品G*/sinδ≥2.2)變化趨勢(shì)圖，可以看出從基質(zhì)瀝青到8%SBS改性劑摻量樣品，其高溫失效溫度基本上呈指數(shù)函數(shù)的變化形式(擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)R2>0.99)，2%改性劑摻量樣品的高溫失效溫度相對(duì)于基質(zhì)瀝青高了6℃左右，5%改性劑摻量樣品的高溫失效溫度比4%樣品的高了5℃左右，其余差不多都在3℃左右，說(shuō)明摻加SBS改性劑對(duì)膠結(jié)料的性能有很大的提高，而5%改性劑摻量時(shí)膠結(jié)料的性能有一個(gè)質(zhì)的突破。

為了研究不同樣品在同一溫度下的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)G*/sinδ，將不同樣品置于同一溫度下分析其性能，變化規(guī)律如圖3所示。

同一溫度下隨著SBS改性劑從2%～8%梯度增加，其車(chē)轍因子G*/sinδ大致呈指數(shù)函數(shù)的形式增加，且7%摻量前期增長(zhǎng)緩慢，7%后期增長(zhǎng)迅速。不同溫度的G*/sinδ46℃在最上面，82℃的在最下面，其余隨溫度依次遞減；從46～64℃，G*/sinδ變化幅度較大，從64～82℃，G*/sinδ變化幅度較小。SBS改性材料是由多種元素構(gòu)成的高分子有機(jī)聚合物，在將此聚合物加入瀝青中后，會(huì)以相互鏈接和纏繞的溶脹狀態(tài)在基質(zhì)瀝青中分散，生成含有羰基官能團(tuán)的極性分子，也就是俗稱(chēng)的高分子含量，摻量越大，高分子含量越多，膠結(jié)料變得越粘稠。

以基質(zhì)瀝青的G*/sinδ為初始值，8%SBS改性劑摻量樣品的G*/sinδ為終值，進(jìn)行SBS改性瀝青動(dòng)力學(xué)參數(shù)的非線(xiàn)性方程擬合，由于G*/sinδ是溫度的敏感函數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別進(jìn)行不同溫度下的G*/sinδ擬合，結(jié)果如表4。

表4 不同SBS改性劑摻量的G*/sinδ擬合方程

從表4看出同一溫度下從基質(zhì)瀝青(0%)～8%SBS改性瀝青G*/sinδ擬合方程的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.94，可以認(rèn)為具有非常好的相關(guān)性， 表中的系數(shù)a、b是表征改性效果的系數(shù)，在其他條件不變的情況下，他們是溫度的函數(shù)，其在不同溫度下的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，改性效果系數(shù)a呈指數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，改性效果系數(shù)b呈對(duì)數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律。通過(guò)圖3和表4得到G*/sinδ隨改性劑摻量梯度增加的擬合方程，而通過(guò)圖4得到改性效果系數(shù)隨溫度變化的擬合方程，這些擬合方程對(duì)于預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中溫度對(duì)性能的影響具有積極的指導(dǎo)意義，在進(jìn)行類(lèi)似試驗(yàn)時(shí)不需要逐個(gè)進(jìn)行溫度梯度下的試驗(yàn)，根據(jù)回歸曲線(xiàn)和改性系數(shù)就可以知道動(dòng)態(tài)力學(xué)性能變化方程，進(jìn)而得到了G*/sinδ值。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)梯度濃度下SBS改性瀝青動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究和理論分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)對(duì)于同一種SBS改性劑摻量的膠結(jié)料，隨著溫度從46℃向82℃梯度增加，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)G*和G*/sinδ隨溫度增加以對(duì)數(shù)函數(shù)形式減小，δ隨溫度增加以線(xiàn)性函數(shù)的形式增加。

(2)隨著改性劑含量增加，膠結(jié)料的黏度逐漸增大，當(dāng)SBS改性劑摻加到5%時(shí)，膠結(jié)料的動(dòng)力學(xué)性能有一個(gè)很大的提升。

(3)隨著改性劑含量梯度增加，其高溫失效溫度基本上呈指數(shù)函數(shù)的變化形式，2%改性劑摻量樣品的高溫失效溫度相對(duì)于基質(zhì)瀝青高了6℃左右，5%改性劑摻量樣品的高溫失效溫度比4%樣品的高了5℃左右，其余差不多都在3℃左右。

(4)得到的G*/sinδ隨改性劑摻量梯度增加的擬合方程和以指數(shù)方程為基礎(chǔ)得到的改性效果系數(shù)a、b能夠有效地預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中溫度對(duì)性能的影響作用。

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Study on Dynamic Rheological Characteristics of Asphalt Via SBS Modifier Concentration Gradient Changes

ZHIPeng-fei1,2,ZHANGXin-yu1，F(xiàn)ENGXiao-wei2

(1.GanSu Provincial Engineering Laboratory For Road Materials，Lanzhou 730050，China； 2.Gansu Provincial Transportation Research Institute Co., Ltd., Lanzhou 730050，China)

Because SBS modifier content of different binders exhibit different kinetic properties, in order to accurately describe the dynamic characteristics of the binder, the paper by setting test asphalt, 2% to 8% gradient SBS modifier content of different samples were at 46 ℃～82 ℃ temperature gradient to analyze its dynamic mechanical properties by dynamic shear rheological tests. The results show that: with the increasing modifier content of kinetic parameters asphalt binder G*/sinδ increases, when SBS modifier adding 5%, the dynamic performance of a binder has greatly improved ; the same sample as the temperature gradient increases, the kinetic parameters G*and G*/sinδ with increasing temperature decreases logarithmically, δ increases with temperature as a linear function of the increase; the resulting G*/sinδ fitting equation and modifying effect coefficients a, b can effectively predict the dynamics of influence of temperature on the performance of the test.

SBS modifier；Failure temperature；Dynamic mechanical；modification effect coefficient

1673-6052(2016)11-0032-04

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.009

U414.01

A

甘肅省交通運(yùn)輸廳項(xiàng)目(2013-16)